JP6495177B2 - 冷凍及び／又は液化装置、並びにこれらに関連する方法 - Google Patents

Description

本発明は、冷凍及び／又は液化装置、並びにこれらに対応する方法に関する。

本発明は、より具体的には、ヘリウムを含有するか又は純ヘリウムからなる作動ガスの冷凍及び／又は液化のための装置に関し、該装置は、作動ガスのためのループの形状の作動回路を備え、該装置は、直列に、
− 少なくとも１つの圧縮機を備えた作動ガス圧縮ステーションと、
− 作動ガスを冷却するための、及び直列に配置された複数の熱交換器と作動ガスを膨張させるための少なくとも１つの部材とを備える低温箱と、
− 冷却された作動ガスとユーザー（使用するもの）との間の熱を交換するためのシステムと、
− 熱交換システムを通過した作動ガスを圧縮ステーションに戻す少なくとも１つの戻し管であって、作動ガスを加温するための少なくとも１つの交換器を備える戻し管とを備え、
該装置は、さらに、圧縮ステーションからの出口に、作動ガスを事前冷却するための付加的なシステムを備え、事前冷却システムは、液体窒素のような補助的な低温流体の少なくとも１つのボリュームを備え、ボリュームは、作動ガスに補助的流体からフリゴリーを選択的に伝達するために、少なくとも１つの熱交換器を介して作動回路に接続されており、低温箱は、圧縮ステーションからの出口に配置された第１の交換器と、第２の熱交換器と第３の熱交換器とを備える第１の作動ガス冷却用ステージ備え、第１の熱交換器は、アルミニウム板及びフィンタイプのものであり、第２の熱交換器は、溶接板又は溶接チューブ（複数可）タイプであり、この第２の熱交換器は、補助的な冷却用流体のための浴に浸されている。

本発明は、特に、超電導ケーブル又はプラズマ発生装置（「トカマク」）の構成要素のような、ユーザーを連続的に冷却することを目的として非常に低い温度（例えば、ヘリウムの場合は４．５Ｋ）を発生するヘリウム冷凍機／液化機に関する。冷凍／液化装置によって意味されているのは、特に、ヘリウムのような低モル質量を有するガスを冷却し、適切であれば液化する、非常に低い温度（極低温）の冷凍装置及び／又は液化装置である。

ユーザーが冷却されるとき、これは、ユーザーが、相対的に高い開始温度（例えば３００Ｋ以上）から、定められた低い公称動作温度（例えば、約８０Ｋ）に下げられる必要があるときということを意味する。冷凍／液化装置は、一般的に、そのような冷却に不向きである。

重い構成要素（例えば、超電導磁石など）が周囲温度から８０Ｋに至るまで長期間にわたって（数十日にわたって）冷却されるときに起きることは、ヘリウムの相対的に熱い流れ及び冷たい流れ（ユーザーに向かって供給され、及びユーザーから戻る）は、共通の交換器を対向流方向に通過する。装置が終始正確に動作するために、ヘリウムのこれらの流れの間の温度の差を制限する必要がある（例えば、最大で４０Ｋから５０Ｋまでの間の差に）。
そうするために、装置は、このクールダウンの間にフリゴリーを供給する補助的な事前冷却システムを備える。

特に論文（「ヘリウム冷凍サイクルにおける液体窒素事前冷却のための解決策（Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｌｉｑｕｉｄ ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｐｒｅーｃｏｏｌｉｎｇ ｉｎ ｈｅｌｉｕｍ ｒｅｆｒｉｇｅｒａｔｉｏｎ ｃｙｃｌｅ）」、Ｕ．Ｗａｇｎｅｒ ｏｆ ＣＥＲＮ−２０００）に例示されるように、事前冷却システムは、一般に、少なくとも１つの熱交換器によって作動ガスにフリゴリーを供給する（例えば８０Ｋの定温の）液体窒素のボリュームを備える。
これらの知られている事前冷却システムは、しかしながら、制約又は不利点を有する。

したがって、８０Ｋのヘリウムを（周囲温度、又は冷却されるべきユーザーからヘリウムが戻る温度の）より熱いヘリウムと混合する必要がある。
液体窒素の消費を制限するために、ユーザーが徐々に冷却される際に、冷却されるべきユーザーから戻るヘリウムからフリゴリーを取り戻すことが、さらに必要である。温度差及び性能に関するこれらの制約は、様々な動作構成（クールダウン、公称動作）により異なる熱交換器技術を要求する。

したがって、公称動作（クールダウン段階以外）の間、交換器は、非常に高い性能、すなわち低い圧力降下を有する必要があり、大幅な温度差に直面すべきではない。この公称動作に適している熱交換器は、アルミニウムろう付け板及びフィンタイプの熱交換器を備える。このタイプの交換器は、典型的に、対向流流体間に５０Ｋを超える温度差を許容し得る。

ヘビーユーザーのクールダウンの間、交換器において要求される熱交換性能は、それほど高くは無いが、依然として高い。それに反して、温度差（一定温度の液体窒素による）は、相対的に大きくなる（５０Ｋを超える）。
回路及び交換器におけるヘリウム温度が依然として高いとき、圧力降下は、公称動作において要求されるものよりもはるかに大きい。
これらの問題に対処するための存在する解決策は、ヘリウムと窒素との間の熱の交換を提供する低温箱への入り口に主交換器を伴う。他の解決策は、この主交換器への供給が、流体（ヘリウム又は窒素）の性質により異なる熱交換器技術を用いて作り出されたいくつかの独立したセクションに分割されるようにする。

これらの解決策は、装置が公称動作に適さないか又はクールダウン段階に適さないかのいずれかなので、問題に対して満足のいく解決策を提供しない。
上述に開示した先行技術の不利点の全て又は一部を軽減させることが、本発明の目的である。
この目的に向けて、本発明による装置は、上記前文において与えられたその包括的定義に従う別の点で、本質的に、第２及び第３の熱交換器が第１の熱交換器の下流で作動回路に直列及び並列の両方に接続されていることを特徴としており、これは、第１の熱交換器において冷却された作動ガスは第２及び／又は第３の熱交換器に選択的に通され得ることをいうことを意味し、第２の熱交換器は、液化された補助的なガスの第１のボリュームに浸されていることを特徴とする。

さらに、本発明のいくつかの実施形態は、１つ又は複数の以下の特徴を備え得る。
− 第２の熱交換器は、ステンレス鋼又はアルミニウム製のチューブタイプの熱交換器、ステンレス鋼又はアルミニウム製のフィン付きチューブタイプの熱交換器、ステンレス鋼溶接板交換器のうちの１つである、
− 本回路は、第１及び／又は第２の熱交換器からの作動ガスが作動回路において第３の熱交換器を選択的に回避することを可能にする、第３の熱交換器を選択的にバイパスするバイパス脚を備える、
− 本装置は、第１の熱交換器を通る通路によって、遠隔の補助的流体回収システムに第１のボリュームの上端を接続する、気化した補助的流体を排出する第１の排出管を備える、
− 気化した補助的流体のための第１の排出管は、第１の熱交換器を選択的にバイパスするためのバイパス脚を備える、
− 第３の交換器は、作動ガスと補助的流体との間の熱の選択的な交換をもたらすタイプのものであり、装置は、第３の熱交換器において作動ガスに補助的流体からフリゴリーを伝達するために、第３の熱交換器に第１のボリュームを接続する選択的供給管を備える、
− 本装置は、補助的な流体源からの補助的流体が選択的に供給される、流体の第２のボリュームを備え、その中で第３の熱交換器は、作動ガスと第２のボリュームの補助的流体との間のフリゴリーの交換を可能にするために、前記第２のボリュームに浸されている、
− 本装置は、第１の熱交換器を通る通路によって、遠隔の補助的流体回収システムに第２のボリュームの上端を接続する、気化した補助的流体を排出する第２の排出管を備える、
− 気化した補助的流体のための第２の排出管は、第１の熱交換器を選択的にバイパスするためのバイパス脚を備える、
− 第２及び第３の熱交換器は、２つの熱交換器と第２の熱交換器をバイパスするバイパスラインとの間に並列接続と直列接続とを形成する管及び弁のネットワークによって、第１の熱交換器の出口で作動回路に直列及び並列の両方に接続される、
− 第１のボリュームは、補助的流体の源に接続され、弁を備えた輸送管によって、補助的流体が選択的に供給される、
− 第１の熱交換器は、異なるそれぞれの温度の作動ガスの異なる流れの間で熱を交換するタイプのものであり、圧縮ステーションを離れる熱い高圧作動ガスといわれるものが供給される第１の通路と、第１の通路と流れが対向し、冷たく低圧であるといわれる作動ガスのための戻し管によって供給される第２の通路と、第１の通路と流れが対向し、熱交換システムを通過しなかった低温箱からの作動ガスを戻す作動回路戻し管によって、中圧であるといわれる作動ガスが供給される第３の通路とを備える。

また、本発明は、上記又は下記特徴のうちの任意の１つに従う作動ガスの冷凍及び／又は液化のための装置を用いてユーザーを冷却する方法に関し、ユーザーは、熱交換システムによって冷却され、方法は、２５０Ｋから４００Ｋまでの間の初期温度を有する、ユーザーを事前冷却するステップを含み、このステップにおいて、圧縮ステーションを離れる作動ガスは、第１の熱交換器において熱の交換によって冷却され、次いで２つの流れに細分され、そのうちの第１の流れは、第２の熱交換器において、次いで第３の熱交換器において冷却され、第２の流れは、第３の熱交換器において直接的に冷却され、第１のボリュームにおいて気化した補助的流体は、第１の熱交換器にフリゴリーを引き渡すことなく排出される。

また、本発明は、上記又は下記特徴のうちの任意の１つに従う作動ガスの冷凍及び／又は液化のための装置を用いてユーザーを冷却する方法に関し、ユーザーは、熱交換システムによって冷却され、方法は、２５０Ｋから１５０Ｋまでの間の初期温度を有する、ユーザーを事前冷却するステップを含み、このステップにおいて、圧縮ステーションを離れる作動ガスは、第１の熱交換器において次いで第２の熱交換器において熱の交換によって冷却され、次いで２つの流れに分割され、そのうちの第１の流れは、第３の熱交換器において冷却され、第２の流れは、第３の交換器を回避し、第３の交換器は、第３の交換器において作動ガスに補助的流体からフリゴリーを伝達するための補助的流体が供給され、第１のボリュームにおいて及び／又は第３の交換器に接触して気化した補助的流体は、第１の熱交換器にフリゴリーを引き渡すことなく排出される。

また、本発明は、上記又は下記特徴のうちの任意の１つに従う作動ガスの冷凍及び／又は液化のための装置を用いてユーザーを冷却する方法に関し、ユーザーは、熱交換システムによって冷却され、発明は、１５０Ｋから９５Ｋまでの間の初期温度を有する、ユーザーを事前冷却するステップを含み、このステップにおいて、圧縮ステーションを離れる作動ガスは、第１の熱交換器において次いで第２の熱交換器において次いで第３の熱交換器において熱の交換によって冷却され、第１のボリュームにおいて及び／又は第３の交換器に接触して気化した補助的流体の少なくとも一部は、第１の熱交換器にフリゴリーを引き渡して、排出される。

また、本発明は、上記又は下記特徴のうちの任意の１つに従う作動ガスの冷凍及び／又は液化のための装置を用いてユーザーを冷却する方法に関し、ユーザーは、熱交換システムによって冷却され、方法は、９５Ｋから８０Ｋまでの間の初期温度を有する、ユーザーを事前冷却するステップを含み、このステップにおいて、圧縮ステーションを離れる作動ガスは、第１の熱交換器において次いで第３の熱交換器のみにおいて熱の交換によって冷却され、第３の交換器に接触して気化した補助的流体は、第１の熱交換器にフリゴリーを引き渡して、排出される。

また、本発明は、上記又は下記特徴のうちの任意の１つに従う作動ガスの冷凍及び／又は液化のための装置を用いてユーザーを冷却する方法に関し、可能性のある事前冷却段階の後に、装置は、公称動作と呼ばれるものにおいて、ユーザーを冷却し、圧縮ステーションを離れる作動ガスは、第１の熱交換器において次いで第３の熱交換器のみにおいて熱の交換によって冷却され、第３の交換器は、第３の交換器において作動ガスに補助的流体からフリゴリーを伝達するために、補助的流体が供給され、その中で、第３の交換器に接触して気化した補助的流体は、第１の熱交換器にフリゴリーを引き渡して、排出される。

本発明は、また、上記又は下記特徴の任意の組み合わせを備える、任意の代替的な装置又は方法に関し得る。
図面を参照して以下に与えられる説明を読むことから、さらなる詳細及び利点が明らかになるであろう。

使用部材を冷却するために使用される液化／冷凍装置の構造を例示する簡略化された概略的な部分図。 使用部材を冷却するために使用される液化／冷凍装置の構造及び動作の第１の例を概略的及び部分的に描写する図。 第２の実施形態による液化／冷凍装置の低温箱の詳細を概略的及び部分的に描写する図。 様々な別個の動作構成における図３の詳細を描写する図。 様々な別個の動作構成における図３の詳細を描写する図。 様々な別個の動作構成における図３の詳細を描写する図。 様々な別個の動作構成における図３の詳細を描写する図。

図１に描写されるように、プラント１００は、慣用された方法で、低温を生み出すためにヘリウムを作業のサイクルの対象とする作動回路を備える冷凍／液化装置を備え得る。冷凍装置２の作動回路は、少なくとも１つの圧縮機１１とヘリウムを圧縮する好ましくはいくつかの圧縮機とを備えた圧縮ステーション１を備える。

圧縮ステーション１を離れると、ヘリウムは、ヘリウムを冷却するための低温箱２に入る。低温箱２は、いくつかの熱交換器５を備え、これは、後者を冷却するためにヘリウムと熱を交換する。加えて、低温箱２は、圧縮されたヘリウムを膨張させるための１つ又は複数のタービン７を備える。好ましくは、低温箱２は、ブレイトンタイプの熱力学サイクル又は他の適当なサイクルに基づいて動作する。少なくともいくらかのヘリウムは、低温箱２を離れると液化され、液体ヘリウムと冷却されるべきユーザー１０との間の熱の選択的交換を提供するように設計された熱交換システム１４に入る。ユーザー（使用するもの）１０は、例えば、超電導磁石 及び／又は１つ又は複数の低温凝縮ポンプユニット又は非常に低温の冷却を要求する任意の他の部材を用いることによって得られる磁界発生器を備える。

図１に概略的に示されるように、装置は、それ自体が知られている方法で、圧縮ステーション１からの出口で作動ガスを事前冷却するための付加的な事前冷却システムをさらに備える。事前冷却システムは、液体窒素のような補助的な低温流体のボリューム３を備える。ボリューム３は、作動ガスに補助的流体からフリゴリーを選択的に伝達するために、少なくとも１つの熱交換器によって作動回路に接続されている。
例えば、ボリューム３は、補助的流体の源（不図示）に接続され、弁２３（図３参照）が取り付けられた輸送管１１３によって補助的流体が供給され得る。

図２のより詳細な例において、圧縮ステーション１は、例えば、ヘリウムに関して、３つの圧力レベルを画定する２つの圧縮機１１、１２を直列に備える。概略的に示されるように、圧縮ステーション１は、ヘリウム精製部材８を備えていてもよい。
圧縮ステーション１からの出口で、ヘリウムは低温箱２に通され、このヘリウムはいくつかの交換器５で熱の交換により冷却され、ヘリウムはタービン７を通って膨張させられる。

低温箱２において液化されたヘリウムは、冷却されるべきユーザー１０と熱を交換することが意図される交換器１４４が備わっているリザーバー１４に貯蔵され得る（例えば、ポンプを備えた回路）。ヘリウムとユーザー１０との間の熱の交換のためのこのシステム１４は、任意の他の適当な構造を備えていてもよい。

熱交換システム１４を通過した低圧ヘリウムは、作業のサイクルを再開するために、戻し管９によって圧縮ステーション１に戻される。この戻しの間、相対的に冷たいヘリウムは、熱交換器５にフリゴリーを引き渡し、したがって、ユーザー１０に到達する前に、低温箱２を通って反対方向に循環する相対的に熱いヘリウムを冷却する。
例示されるように、作動回路は、熱交換システム１４を通過しなかった低温箱２からのヘリウムを圧縮ステーション１に戻す戻し管１９を備えていてもよい。

図２において見えるように、装置は、例えば、８０Ｋの温度の、液体窒素のような補助的な低温流体のボリューム３を備える事前冷却システムを備える。
低温箱２は、ヘリウムが圧縮ステーション１を離れるとすぐにそれを受容する第１のヘリウム冷却ステージを備える。
この第１の冷却ステージは、第１の熱交換器５と、第２の熱交換器１５と、第３の熱交換器２５とを備える。
第１の熱交換器５は、好ましくは、アルミニウムろう付け板及びフィンタイプのものである。そのような交換器は、例えば、ＡＬＰＥＭＡ（蝋付けアルミニウム板−フィン熱交換器製造業協会（aluminum plate-fin heat exchanger manufacturer’s association））が推薦するものに適合する。

第１の熱交換器５は、例えば、その中で、異なるそれぞれの温度のヘリウムの異なる流れの間の熱の交換があるタイプである。第１の交換器５は、圧縮ステーション１を直接的に離れる、熱く高圧といわれる作動ガスが供給される第１の通路６と、第１の通路と流れが対向し、冷たく低圧であるといわれる作動ガスが戻し管９によって供給される第２の通路と、第１の通路と流れが対向し、戻し管１９によって中圧であるといわれる作動ガスが供給される第３の通路とを備えていてもよい。後述されるように、第１の交換器５は、補助的流体のための通路セクションをさらに備える。
第２の熱交換器１５及び第３の熱交換器２５は、第１の熱交換器５の下流の作動回路に直列及び並列の両方に接続されており、これは、第１の熱交換器５において冷却された作動ガスは、第２の熱交換器１５及び／又は第３の熱交換器２５に選択的に通され得るということを意味する。

図３に、より詳細に描写されるように、第２の熱交換器１５及び第３の熱交換器２５は、２つの熱交換器１５、２５と第２の熱交換器１５をバイパスするためのバイパスライン２５０との間に並列接続と直列接続とを形成する管６、１６、２６、２５０及び弁１１６、１２６、３２６のネットワークによって、第１の熱交換器５に直列及び並列の両方に接続され得る。

図２において見えるように、第２の熱交換器１５は、好ましくは、８０Ｋの液体窒素のような補助的な冷却用流体の浴に浸されるチューブタイプ（チューブは、例えば、ステンレス鋼、銅、又は極低温に適合する何らかの他の合金製である）のものである。より具体的には、第２の熱交換器１５は、液体窒素の第１のボリューム３に浸されている。前述のように、第１のボリューム３は、補助的流体の源（不図示）に接続され及び弁２３を備えた輸送管１１３によって、補助的流体が供給されてもよい。

もちろん、本発明は、この実施形態に限定されない。したがって、例えば、浸された第２の熱交換器１５は、ステンレス鋼又は何らかの他の金属又は溶接板との合金製である熱交換器、すなわち、その技術が、その英語名の「ｐｌａｔｅ ａｎｄ ｓｈｅｌｌ」タイプで知られている技術の熱交換器であってもよい。第２の熱交換器１５を構成するこれらのタイプの熱交換器は、不利点なしに、様々な使用の構成間（浸される／浸されない）で相対的に大きい温度差、例えば６０Ｋから２５０Ｋまでの間の温度差に耐えることができる。

本装置は、気化した補助的流体を排出するための第１の排出管３０を備え、及びこれは、第１の熱交換器５を通る通路によって、遠隔の補助的流体回収システムに第１のボリューム３の上端を接続する。また、気化した補助的流体を排出するためのこの第１の管３０は、弁２３０、４３０のシステムを経由する第１の熱交換器５を選択的にバイパスするためのバイパス脚１３０を備える。

第３の熱交換器２５は、好ましくは、アルミニウム板及びフィンタイプの交換器である。第３の交換器２５は、ヘリウムと窒素との間の熱の選択的な交換を採用するタイプのものである。そのために、図２において見えるように、装置は、第３の熱交換器２５において作動ガスに補助的流体からフリゴリーを選択的に伝達するために、第３の熱交換器２５に第１のボリューム３を（例えば、ループ状に）接続する少なくとも１つの弁（不図示）を備える供給管１３を備えていてもよい。

図３は、装置の第１の冷却ステージの実施形態の代替的な形態を例示する。図３の実施形態の形は、図２のものと、第３の熱交換器２５が、このとき、（第１のボリューム３から又は源から補助的流体が供給されるよりもむしろ）補助的流体の第２のボリューム３３に浸されるという点のみで異なる。図３に例示されるように、流体のこの第２のボリューム３３は、補助的な流体源によって補助的流体が選択的に供給される極低温リザーバーであってもよい。もし適当であるならば作動ガスと第２のボリューム３３の補助的流体との間のフリゴリーの交換を可能にするために、第３の熱交換器２５は、前記第２のボリューム３３に浸される。

また、第２の補助的なボリューム３３は、気化した補助的流体を排出するための、及び第１の熱交換器５を通る通路を経由する遠隔の補助的流体回収システムに第２のボリューム３３の上端を接続する、第２の排出管３３０を備える。例えば、第２の排出管３３０は、第１の交換器５の上流で第１の補助的な流体排出管３０を接続する。これが意味することは、第２のボリューム３３において気化した補助的流体は、第１の交換器５を通る通路及び／又はこの第１の熱交換器５を回避するバイパスライン１３０間で分割され得る。

図４から図７は、それぞれ、装置の動作の連続する１つの可能な例において採用され得る４つの別個の構成を例示する。

図４に例示されるユーザー１０をクールダウンする第１の段階において、圧縮ステーション１から離れるヘリウムは、第１の熱交換器５において熱の交換によって冷却され、次いで冷却されたヘリウムは、２つの流れに細分される（弁１１６及び１２６は開放）。これらの２つの流れの第１は、第２の熱交換器１５において冷却され、次いで 熱の交換なしに第３の熱交換器２５に入る（弁２３３は閉鎖）。第２の流れは、第２の熱交換器１５に入らず、第３の熱交換器２５に入る前に、第２の熱交換器１５を離れる第１の流れと混合される。

この第１の段階において、第１のボリューム３は、補助的流体（窒素）が供給され、気化した窒素は、第１の熱交換器５にフリゴリーを引き渡すことなく、排出管３０及びバイパス脚１３０によって排出される（第１の交換器５に入るために、バイパス脚１３０において弁２３０は開放及び弁４３０は閉鎖）。
これは、当初４００Ｋから２５０Ｋまでの間の温度でユーザーをクールダウンする動作の開始に対応し得る。この第１の段階の間、ヘリウムの温度は、
− 第１の熱交換器５からの出口で３００Ｋにほぼ等しい、
− 第３の熱交換器２５からの出口で２５０Ｋにほぼ等しい、
であってもよい。

図５に例示されるユーザー１０をクールダウンする第２の段階において、圧縮ステーション１を離れるヘリウムは、第１の熱交換器５において次いで第２の熱交換器１５において熱の交換によって冷却され得る（弁１１６は開放及び弁１２６は閉鎖）。ヘリウムは、次いで２つの流れに分割され、そのうちの第１の流れは、第３の熱交換器２５において冷却され、第２の流れは、バイパスライン２５０を通過する（バイパスライン２５０における弁３２６の開放）。

第１及び第２のボリューム３，３３は、それぞれの輸送管１１３、１３３を経由して補助的流体が供給される（弁２１３及び２３３の開放に対応する）。ボリューム３、３３において気化した補助的流体は、第１の熱交換器５を経由して通ることなく、すなわちバイパス脚１３０を経由して、排出され得る（弁４３０は閉鎖及び弁２３０は開放）。
これは、当初２５０Ｋから１５０Ｋまでの間の温度でユーザーをクールダウンする動作に対応し得る。この第２の段階の間、ヘリウムの温度は、
− 第１の熱交換器５からの出口で１４５Ｋにほぼ等しい、
− 第２の熱交換器１５からの出口で１２０Ｋにほぼ等しい、
− 第３の熱交換器２５からの出口で８０Ｋにほぼ等しい、
− バイパス脚１３０において１２０Ｋにほぼ等しい、及び
− バイパス脚１３０の下流の分岐合流点の後で９５Ｋにほぼ等しい、
であってもよい。

図６に例示されるユーザー１０をクールダウンする第３の段階において、圧縮ステーション１を離れる作動ガスは、第１の熱交換器５において次いで第２の熱交換器１５において次いで第３の熱交換器２５において熱の交換によって直列に冷却されてもよい（弁１１６は開放、弁１２６は閉鎖）。第１の３及び第２の３３ボリュームにおいて気化した補助的流体は、部分的に第１の熱交換器５を経由して及び部分的にバイパス脚１３０を経由して排出され得る（弁２３０及び４３０は開放）。
これは、当初１５０Ｋから９５Ｋまでの間の温度でユーザーをクールダウンする動作に対応し得る。この第３の段階の間、ヘリウムの温度は、
− 第１の熱交換器５からの出口で１３０Ｋにほぼ等しい、
− 第２の熱交換器１５からの出口で１００Ｋにほぼ等しい、
− 第３の熱交換器２５からの出口で８０Ｋにほぼ等しい、
であってもよい。

図７に例示されるユーザー１０をクールダウンする第４の段階において、圧縮ステーション１を離れる作動ガスは、第１の熱交換器５において次いで第３の熱交換器２５において熱の交換によって直列に冷却されてもよい（第２の熱交換器１５を経由して通ることなく。弁１１６は閉鎖及び弁１２６は開放）。第２のボリューム３３のみは、補助的流体が供給されてもよい（弁２１３は閉鎖及び２３３は開放）。第２のボリューム３３において気化した補助的流体は、部分的に第１の熱交換器５を経由し及び部分的にバイパス脚１３０を経由して排出されてもよい（弁２３０及び４３０は開放）。
これは、当初９５Ｋから８０Ｋまでの間の温度でユーザーをクールダウンさせる動作に対応し得る。この第４の段階の間、ヘリウムの温度は、
− 第１の熱交換器５からの出口で９５Ｋにほぼ等しい、
− 第３の熱交換器２５からの出口で８０Ｋにほぼ等しい、
であってもよい。

最後に、ユーザー１０が公称動作と呼ばれるものの定められた低い温度に到達したとき、装置は、同一の装置を用いて連続的な冷却を提供（定められた温度で冷たさのレベルを維持）し得る。
この連続的な冷却の間、装置は、また、図７の構成により動作してもよい。それが意味することは、圧縮ステーション１を離れる作動ガスは、第１の熱交換器５において次いで第３の熱交換器２５において熱の交換により（第２の熱交換器１５を経由して通ることなく）直列に冷却され得るということであり、第２のボリューム３３のみは、補助的流体が供給されてもよい。第２のボリューム３３において気化した補助的流体は、第１の熱交換器５によって排出されてもよい（弁２３０は閉鎖及び弁４３０は開放）。

この動作のモードの間、ヘリウムの温度は、
− 第１の熱交換器５の出口で９０Ｋにほぼ等しい、
− 第３の熱交換器２５の出口で８０Ｋにほぼ等しい、
であってもよい。

上述のアーキテクチャは、したがって、低減された量の機器で、相対的に低い温度（例えば８０Ｋ）まで相対的に熱い温度（例えば４００Ｋ）から重厚な構成要素をクールダウンさせることを可能にする。
アルミニウム板及びフィンタイプの２つの交換器（第１の５及び第３の２５熱交換器）、チューブタイプの熱交換器（第２の交換器１５）の使用は、事前冷却及び公称動作と呼ばれる動作の様々な段階（事前冷却後）のための装置の動作を最適化することを可能にする。
これらの構成は、特に、第２の熱交換器１５を、低温箱２、したがって同様に第１のボリューム３の外部に位置付けることを可能にする。
装置によってもたらされる別の利点は、これは、回路とクールダウンのためのみに使用される機器とを隔離することによって、公称動作の間、作動ガスへの熱の侵入を制限することである。これらの機器は、低温箱から離れて設置されてもよく、これは同様に、低温箱チャンバーのサイズ及びコストを低減する。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載の事項を、そのまま、付記しておく。
［１］ ヘリウムを含有するか又は純ヘリウムからなる作動ガスの冷凍及び／又は液化のための、前記作動ガスのためのループの形状の作動回路を備える装置であって、該装置は、順に、
− 少なくとも１つの圧縮機（１１、１２）を備えた作動ガス圧縮ステーション（１）と、
− 前記作動ガスを冷却するための、直列に配置された複数の熱交換器（５）と前記作動ガスを膨張させるための少なくとも１つの部材（７）とを備える、低温箱（２）と、
− 前記冷却された前記作動ガスとユーザー（１０）の間の熱を交換するためのシステム（１４）と、
− 前記熱交換システム（１４）を通過した前記作動ガスを前記圧縮ステーション（１）に戻す少なくとも１つの戻し管（９）とを備え、該戻し管（９）は、前記作動ガスを加温するための少なくとも１つの交換器（５）を備えるものであり、
該装置は、さらに、前記圧縮ステーション（１）からの出口に、前記作動ガスを事前冷却するための付加的なシステムを備え、該事前冷却システムは、液体窒素のような補助的な低温流体の少なくとも１つのボリューム（３）を備え、該ボリューム（３）は、前記作動ガスに対する前記補助的流体からフリゴリーを選択的に伝達するために、少なくとも１つの熱交換器を介して前記作動回路に接続されており、
前記低温箱（２）は、前記圧縮ステーション（１）からの前記出口に配置された第１の交換器（５）と、第２の熱交換器（１５）と、第３の熱交換器（２５）とを備える第１の作動ガス冷却ステージを備え、前記第１の熱交換器（５）は、アルミニウム板及びフィンタイプであり、前記第２の熱交換器（１５）は、溶接板又は溶接チューブ（複数可）タイプであり、前記第２の熱交換器（１５）は、補助的な冷却用流体のための浴に浸されている、前記装置において、
前記第２の熱交換器（１５）及び第３の熱交換器（２５）は、前記第１の熱交換器（５）の下流で前記作動回路に直列に及び並列の両方に接続されていることを特徴とし、これは、前記第１の熱交換器（５）内で冷却された前記作動ガスは前記第２の熱交換器（１５）及び／又は前記第３の熱交換器（２５）に選択的に通され得るということを意味し、前記第２の熱交換器（１５）は液化された補助的なガスの前記第１のボリューム（３）に浸されていることを特徴とする、装置。
［２］ 前記第２の熱交換器（１５）は、ステンレス鋼又はアルミニウム製のチューブタイプの熱交換器、ステンレス鋼又はアルミニウム製のフィン付きチューブタイプの熱交換器、ステンレス鋼溶接板交換器、のうちの１つであることを特徴とする、［１］に記載の装置。
［３］ 前記回路は、前記第１の熱交換器（５）及び／又は前記第２の熱交換器（１５）からの前記作動ガスが前記作動回路において前記第３の熱交換器（２５）を選択的に回避することを可能にする、前記第３の熱交換器（２５）を選択的にバイパスするバイパス脚（２５０）を備えることを特徴とする、［１］又は［２］に記載の装置。
［４］ 前記第１の熱交換器（５）を通る通路によって、遠隔の補助的流体回収システムに前記第１の（３）ボリュームの上端を接続する、気化した補助的流体を排出する第１の排出管（３０）を備えることを特徴とする、［１］から［３］のいずれか一項に記載の装置。
［５］ 気化した補助的流体のための前記第１の排出管（３０）は、前記第１の熱交換器（５）を選択的にバイパスするためのバイパス脚（１３０）を備えることを特徴とする、［４］に記載の装置。
［６］ 前記第３の交換器（２５）は、前記作動ガスと前記補助的流体との間の熱の選択的な交換をもたらすタイプのものであり、前記装置は、前記第３の熱交換器（２５）において前記作動ガスに前記補助的流体からフリゴリーを伝達するために、前記第３の熱交換器に前記第１のボリューム（３）を接続する選択的供給管（１３）を備えることを特徴とする、［１］から［５］のいずれか一項に記載の装置。
［７］ 補助的流体源から補助的流体が選択的に供給される流体の第２のボリューム（３３）を備えることを特徴とし、前記第３の熱交換器（２５）は、前記作動ガスと前記第２のボリューム（３３）の前記補助的流体との間のフリゴリーの交換を可能にするために、前記第２のボリューム（３３）内に浸されていることを特徴とする、［１］から［６］のいずれか一項に記載の装置。
［８］ 前記第１の熱交換器（５）を通る通路によって、遠隔の補助的流体回収システムに前記第２の（３０）ボリュームの上端を接続する、気化した補助的流体を排出する第２の排出管（３３０）を備えることを特徴とする、［１］から［７］のいずれか一項に記載の装置。
［９］ 気化した補助的流体のための前記第２の排出管（３３０）は、前記第１の熱交換器（５）を選択的にバイパスするためのバイパス脚（１３０）を備えることを特徴とする、［８］に記載の装置。
［１０］ ［１］から［９］のいずれか一項に記載の作動ガスの冷凍及び／又は液化のための装置を用いてユーザー（１０）を冷却する方法であって、前記ユーザー（１０）は、熱交換システム（１４）によって冷却される方法において、前記方法は、２５０Ｋから４００Ｋまでの間の初期温度を有する、前記ユーザー（１０）を事前冷却するステップを含み、前記ステップにおいて、前記圧縮ステーション（１）を離れる前記作動ガスは、前記第１の熱交換器（５）において熱の交換によって冷却され、次いで２つの流れに細分され、そのうちの第１の流れは、前記第２の熱交換器（１５）において、次いで前記第３の熱交換器（２５）において冷却され、第２の流れは、前記第３の熱交換器（２５）において直接的に冷却されることを特徴とし、前記第１のボリューム（３）において気化した前記補助的流体は前記第１の熱交換器（５）にフリゴリーを引き渡すことなく排出されることを特徴とする、方法。
［１１］ ［１］から［９］のいずれか一項に記載の作動ガスの冷凍及び／又は液化のための装置を用いてユーザー（１０）を冷却する方法であって、前記ユーザー（１０）は、熱交換システム（１４）によって冷却される方法において、前記方法は、２５０Ｋから１５０Ｋまでの間の初期温度を有する、前記ユーザー（１０）を事前冷却するステップを含み、前記ステップにおいて、前記圧縮ステーション（１）を離れる前記作動ガスは、前記第１の熱交換器（５）において次いで前記第２の熱交換器（１５）において熱の交換によって冷却され、次いで、２つの流れに分割され、そのうちの第１の流れは前記第３の熱交換器（２５）において冷却され、第２の流れは前記第３の交換器（２５）を回避することを特徴とし、前記第３の交換器（２５）は、前記第３の交換器（２５）において前記作動ガスに補助的流体からフリゴリーを伝達するための前記補助的流体が供給されることを特徴とし、前記第１のボリューム（３）において及び／又は前記第３の交換器（２５）に接触して気化した前記補助的流体は、前記第１の熱交換器（５）にフリゴリーを引き渡すことなく排出されることを特徴とする、方法。
［１２］ ユーザー（１０）は熱交換システム（１４）によって冷却される、［１］から［９］のいずれか一項に記載の作動ガスの冷凍及び／又は液化のための装置を用いてユーザー（１０）を冷却する方法。
［１３］ 前記方法は、１５０Ｋから９５Ｋまでの間の初期温度を有する、前記ユーザー（１０）を事前冷却するステップを含み、前記ステップにおいて、前記圧縮ステーション（１）を離れる前記作動ガスは、前記第１の熱交換器（５）において次いで前記第２の熱交換器（１５）において次いで前記第３の熱交換器（２５）において熱の交換によって冷却されることを特徴とし、前記第１のボリューム（３）において及び／又は前記第３の交換器（２５）に接触して気化した前記補助的流体の少なくとも一部は、前記第１の（５）熱交換器にフリゴリーを引き渡して、排出されることを特徴とする、［１２］に記載の方法。
［１４］ 前記方法は、９５Ｋから８０Ｋまでの間の初期温度を有する、前記ユーザー（１０）を事前冷却するステップを含み、前記ステップにおいて、前記圧縮ステーション（１）を離れる前記作動ガスは、前記第１の熱交換器（５）において次いで前記第３の熱交換器（２５）のみにおいて熱の交換によって冷却されることを特徴とし、前記第３の交換器（２５）に接触して気化した前記補助的流体は、前記第１の（５）熱交換器にフリゴリーを引き渡して、排出されることを特徴とする、［１２］又は［１３］に記載の方法。
［１５］ 可能性のある事前冷却段階の後に、前記装置は、公称動作と呼ばれるものにおいて前記ユーザーを冷却し、前記圧縮ステーション（１）を離れる前記作動ガスは、前記第１の熱交換器（５）において次いで前記第３の熱交換器（２５）のみにおいて熱の交換によって冷却されることを特徴とし、前記第３の交換器（２５）は、前記第３の交換器（２５）において前記作動ガスに補助的流体からフリゴリーを伝達するために、前記補助的流体が供給されることを特徴とし、前記第３の交換器（２５）に接触して気化した前記補助的流体は、前記第１の熱交換器（５）にフリゴリーを引き渡して、排出されることを特徴とする、［１２］から［１４］のいずれか一項に記載の方法。

Claims (15)

1. ヘリウムを含有するか又は純ヘリウムからなる作動ガスの冷凍及び／又は液化のための、前記作動ガスのためのループの形状の作動回路を備える装置であって、該装置は、順に、
   − 少なくとも１つの圧縮機（１１、１２）を備えた作動ガスの圧縮ステーション（１）と、
   − 前記作動ガスを冷却するための、直列に配置された複数の熱交換器（５，１５，２５）と前記作動ガスを膨張させるための少なくとも１つの部材（７）とを備える、低温箱（２）と、
   − 前記冷却された前記作動ガスとユーザー（１０）の間の熱を交換するための熱交換システム（１４）と、
   − 前記熱交換システム（１４）を通過した前記作動ガスを前記圧縮ステーション（１）に戻す少なくとも１つの戻し管（９）とを備え、該戻し管（９）は、前記作動ガスを冷却するための少なくとも１つの熱交換器（５）を備えるものであり、
   該装置は、さらに、前記圧縮ステーション（１）からの出口に、前記作動ガスを事前冷却するための付加的なシステムを備え、該事前冷却システムは、低温の補助的流体の少なくとも１つのボリューム（３）を備え、該ボリューム（３）は、前記作動ガスに対する前記補助的流体からフリゴリーを選択的に伝達するために、少なくとも１つの熱交換器を介して前記作動回路に接続されており、
   前記低温箱（２）は、前記圧縮ステーション（１）からの前記出口に配置された第１の熱交換器（５）と、第２の熱交換器（１５）と、第３の熱交換器（２５）とを備える第１の作動ガス冷却ステージを備え、前記第１の熱交換器（５）は、アルミニウム板及びフィンタイプであり、前記第２の熱交換器（１５）は、溶接板又は１つ以上の溶接チューブタイプであり、前記第２の熱交換器（１５）は、前記補助的流体のための浴に浸されている、前記装置において、
   前記第２の熱交換器（１５）及び第３の熱交換器（２５）が、前記第１の熱交換器（５）の下流で前記作動回路に、直列に又は選択的に接続されるように構成されていることを特徴とし、これは、前記第１の熱交換器（５）内で冷却された前記作動ガスが、前記第２の熱交換器（１５）及び／又は前記第３の熱交換器（２５）に選択的に通され得るということを意味し、前記第２の熱交換器（１５）は、前記補助的流体の前記ボリューム（３）に浸されていることを特徴とする、装置。
2. 前記第２の熱交換器（１５）は、ステンレス鋼又はアルミニウム製のチューブタイプの熱交換器、ステンレス鋼又はアルミニウム製のフィン付きチューブタイプの熱交換器、ステンレス鋼溶接板交換器、のうちの１つであることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記作動回路は、前記第１の熱交換器（５）及び／又は前記第２の熱交換器（１５）からの前記作動ガスが前記作動回路において前記第３の熱交換器（２５）を選択的に回避することを可能にする、前記第３の熱交換器（２５）を選択的にバイパスするバイパスライン（２５０）を備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記第１の熱交換器（５）を通る通路によって、遠隔の補助的流体回収システムに第１のボリューム（３）の上端を接続する、気化した前記補助的流体を排出する第１の排出管（３０）を備えることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 気化した前記補助的流体のための前記第１の排出管（３０）は、前記第１の熱交換器（５）を選択的にバイパスするためのバイパスライン（１３０）を備えることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. 前記第３の熱交換器（２５）は、前記作動ガスと前記補助的流体との間の熱の選択的な交換をもたらすタイプのものであり、前記装置は、前記第３の熱交換器（２５）において前記作動ガスに前記補助的流体からフリゴリーを伝達するために、前記第３の熱交換器に第１のボリューム（３）を接続する選択的供給管（１３）を備えることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 補助的流体源から前記補助的流体が選択的に供給される流体の第２のボリューム（３３）を備えることを特徴とし、前記第３の熱交換器（２５）は、前記作動ガスと前記第２のボリューム（３３）の前記補助的流体との間のフリゴリーの交換を可能にするために、前記第２のボリューム（３３）内に浸されていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記第１の熱交換器（５）を通る通路によって、遠隔の補助的流体回収システムに第２のボリューム（３３）の上端を接続する、気化した前記補助的流体を排出する第２の排出管（３３０）を備えることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
9. 気化した前記補助的流体のための前記第２の排出管（３３０）は、前記第１の熱交換器（５）を選択的にバイパスするためのバイパスライン（１３０）を備えることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の作動ガスの冷凍及び／又は液化のための装置を用いてユーザー（１０）を冷却する方法であって、前記ユーザー（１０）は、熱交換システム（１４）によって冷却される方法において、前記方法は、２５０Ｋから４００Ｋまでの間の初期温度を有する、前記ユーザー（１０）を事前冷却するステップを含み、前記ステップにおいて、前記圧縮ステーション（１）を離れる前記作動ガスは、前記第１の熱交換器（５）において熱の交換によって冷却され、次いで２つの流れに細分され、そのうちの第１の流れは、前記第２の熱交換器（１５）において、次いで前記第３の熱交換器（２５）において冷却され、第２の流れは、前記第３の熱交換器（２５）において直接的に冷却されることを特徴とし、第１のボリューム（３）において気化した前記補助的流体は前記第１の熱交換器（５）にフリゴリーを引き渡すことなく排出されることを特徴とする、方法。
11. 請求項１から９のいずれか一項に記載の作動ガスの冷凍及び／又は液化のための装置を用いてユーザー（１０）を冷却する方法であって、前記ユーザー（１０）は、熱交換システム（１４）によって冷却される方法において、前記方法は、２５０Ｋから１５０Ｋまでの間の初期温度を有する、前記ユーザー（１０）を事前冷却するステップを含み、前記ステップにおいて、前記圧縮ステーション（１）を離れる前記作動ガスは、前記第１の熱交換器（５）において次いで前記第２の熱交換器（１５）において熱の交換によって冷却され、次いで、２つの流れに分割され、そのうちの第１の流れは前記第３の熱交換器（２５）において冷却され、第２の流れは前記第３の熱交換器（２５）を回避することを特徴とし、前記第３の熱交換器（２５）は、前記第３の熱交換器（２５）において前記作動ガスに前記補助的流体からフリゴリーを伝達するための前記補助的流体が供給されることを特徴とし、第１のボリューム（３）において及び／又は前記第３の熱交換器（２５）に接触して気化した前記補助的流体は、前記第１の熱交換器（５）にフリゴリーを引き渡すことなく排出されることを特徴とする、方法。
12. ユーザー（１０）は熱交換システム（１４）によって冷却される、請求項１から９のいずれか一項に記載の作動ガスの冷凍及び／又は液化のための装置を用いてユーザー（１０）を冷却する方法。
13. 前記方法は、１５０Ｋから９５Ｋまでの間の初期温度を有する、前記ユーザー（１０）を事前冷却するステップを含み、前記ステップにおいて、前記圧縮ステーション（１）を離れる前記作動ガスは、前記第１の熱交換器（５）において次いで前記第２の熱交換器（１５）において次いで前記第３の熱交換器（２５）において熱の交換によって冷却されることを特徴とし、第１のボリューム（３）において及び／又は前記第３の熱交換器（２５）に接触して気化した前記補助的流体の少なくとも一部は、前記第１の熱交換器（５）にフリゴリーを引き渡して、排出されることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 前記方法は、９５Ｋから８０Ｋまでの間の初期温度を有する、前記ユーザー（１０）を事前冷却するステップを含み、前記ステップにおいて、前記圧縮ステーション（１）を離れる前記作動ガスは、前記第１の熱交換器（５）において次いで前記第３の熱交換器（２５）のみにおいて熱の交換によって冷却されることを特徴とし、前記第３の熱交換器（２５）に接触して気化した前記補助的流体は、前記第１の熱交換器（５）にフリゴリーを引き渡して、排出されることを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の方法。
15. 可能性のある事前冷却段階の後に、前記装置は、公称動作と呼ばれるものにおいて前記ユーザーを冷却し、前記圧縮ステーション（１）を離れる前記作動ガスは、前記第１の熱交換器（５）において次いで前記第３の熱交換器（２５）のみにおいて熱の交換によって冷却されることを特徴とし、前記第３の熱交換器（２５）は、前記第３の熱交換器（２５）において前記作動ガスに前記補助的流体からフリゴリーを伝達するために、前記補助的流体が供給されることを特徴とし、前記第３の熱交換器（２５）に接触して気化した前記補助的流体は、前記第１の熱交換器（５）にフリゴリーを引き渡して、排出されることを特徴とする、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の方法。

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